CN102320018A - 铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法，通过运动控制单元，计算得出满足锯齿接触弧长、切割周期的进给速度曲线；由伺服驱动单元，驱动进给推进轴的伺服电机，使所述进给推进轴带动旋转的锯片变速推进，对钢管进行切割；以较慢的推进速度进行钢管壁两侧的切割，保证切割端面平整、无毛刺、且不产生火花；而在锯齿接触弧长较小的钢管空心段切割时、锯片接近钢管之前，以及进给推进轴反转返回原点时，均以较高的推进速度进行，因而切割周期短，生产速度快、效率高。

Description

铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电气自动化的控制装置及其控制方法，特别涉及一种对精密钢管在线切割的铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法。

背景技术

在汽车、飞机、轮船、航天及军工等行业中，对钢管的长度精度、端面的平整度，及有无毛刺等都有很高的要求，因此一般需使用精密钢管。然而，我国目前以摩擦锯生产管材居多，其具有在线切割功能，但是其精度、速度、及切割管材端面都不能满足所述精密钢管的高要求。

所述摩擦锯的推进是由阀带动缸来实现的；无论管材外径的大小、壁厚、材质，也不管锯片的齿数、齿距、旋转速度，摩擦锯的进给速度都是一样的。这样的控制方法简单，但会产生几个问题：1）切割管材端面粗糙、并有毛刺；2）切割时会产生很大的火花，切割端面会产生高温，而导致氧化或者管口变型；3）锯片磨损率及损坏率高，增加了生产成本、并降低了生产效率；4）切割时产生巨大的噪音，造成环境污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法，通过适应性强、运行稳定可靠的控制装置，以伺服电机加丝杆的方式替代传统阀加缸的方式，根据切入钢管的位置以及切割周期来控制锯片的铣削进给速度，实现对精密钢管高速度、高精度的在线切割。

为了达到上述目的，本发明的技术方案之一是提供一种铣削进给速度曲线的控制装置，其包含：

运动控制单元，其根据相关工艺参数，计算得出铣削钢管时满足锯齿接触弧长、切割周期的进给速度曲线；

伺服驱动单元，在与其连接的所述运动控制单元控制下，将直流电逆变成三相交流电，来驱动进给推进轴的伺服电机；

根据所述进给速度曲线的控制，所述进给推进轴带动旋转的锯片变速推进，对钢管进行切割。

所述控制装置还包含与运动控制单元连接的触摸屏；

经由所述触摸屏输入的工艺参数，包含钢管的长度、材质、钢管外径、壁厚、锯片类型、锯片直径、锯片厚度、锯片齿数、最大齿负荷；

该些工艺参数被发送至所述运动控制单元，来进行所述锯齿接触弧长、切割周期及进给速度曲线的计算，并形成对同一规格的钢管切割都适用的锯片推进控制的配方；

所述触摸屏支持对所述配方的保存和再调用；还能够输出显示相关工艺参数及配方、故障信息的报警提示及解决办法。

所述控制装置还包含与运动控制单元连接的整流回馈电源单元，其将三相交流电整流成直流电，为连接在运动控制单元上的若干伺服驱动单元供电，并能将制动能量直接反馈到电网。

所述控制装置还包含与运动控制单元连接的远程I/O模块；所述运动控制单元通过该远程I/O模块，对执行元器件进行控制，并对传感元器件进行信号检测。

本发明的另一技术方案是提供一种铣削进给速度曲线的控制方法，计算满足锯齿接触弧长、切割周期的进给速度曲线，并由此控制进给推进轴带动旋转锯片变速推进，对钢管进行切割；

所述控制方法中，对应每一个切割周期，包含以下步骤：

步骤1、当需要铣削的钢管的运动速度，与铣床上带旋转锯片的运动小车的运动速度同步时，控制进给推进轴从原点开始，带动锯片朝钢管方向以第一速度快速推进；

步骤2、当推进的锯片接近钢管壁时，使进给推进轴的速度降至第二速度；锯片以该第二速度慢速切入钢管壁；

步骤3、当锯片切穿钢管壁并切入到钢管空心段时，使进给推进轴的速度提升至第三速度，锯片以该第三速度快速切割钢管空心段；

步骤4、当锯片切完钢管的空心段，并切入到钢管的另一侧管壁时，使进给推进轴的速度降至第四速度，锯片以该第四速度慢速切入管壁直至将钢管切断；

步骤5、锯切完成后，控制进给推进轴反转并快速返回至原点，等待下一个切割周期的到来。

所述控制方法中，铣削钢管两侧管壁的第二速度与第四速度相同，且均小于切割钢管空心段时的第三速度。

所述锯齿接触弧长是指锯齿接触钢管的累积长度；对于每根空心的钢管来说，当锯齿接触到钢管壁时，其接触长度是最大的；而在钢管空心段，其接触长度是最小的；对于不同钢管，根据管径、壁厚不同，所述锯齿接触弧长是不同的。

所述切割周期是指所述进给推进轴从原点推进，带动旋转的锯片将一根钢管切断，直到所述进给推进轴快速返回原点的时间。

与现有技术相比，本发明所述铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法，其优点如下：本发明所述控制装置中，由运动控制单元计算得到符合锯齿接触弧长、切割周期等进给要求的铣削进给速度曲线，并以此控制由进给推进轴带动的旋转锯片推进，对钢管进行切割。

本发明所述控制方法中，对锯片的进给速度进行变速控制，以较慢的推进速度进行钢管壁两侧的切割，保证切割端面平整、无毛刺、且不产生火花；而在锯齿接触弧长较小的钢管空心段切割时、锯片接近钢管之前，以及进给推进轴反转返回原点时，均以较高的推进速度进行，因而切割周期短，生产速度快、效率高，使整个生产线的速度最高可达120M/min。

所述控制装置优选使用了西门子公司的工控产品，设备运行稳定、可靠性高；通过触摸屏输入相关工艺参数，即可设定规格要求范围内的任何钢管规格，进行推进速度的计算并保存配方，适应性强；所有故障信息，还可通过触摸屏查询，方便设备维护。

附图说明

图1是本发明所述铣削进给速度曲线的控制装置的模块结构示意图；

图2是本发明所述控制方法中对应钢管不同位置的锯齿接触弧长，以及相配合的进给推进速度的示意图；

图3是本发明所述控制方法中在一个切割周期内对应钢管不同位置的铣削进给速度曲线的示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明所述铣削进给速度曲线的控制装置及其控制方法，本发明中由伺服电机加丝杆替代传统的阀加缸的方式，推进锯片实现对精密钢管的在线切割。

如图1所示，所述控制装置包含运动控制单元1，以及分别与运动控制单元1连接的整流回馈电源单元8、伺服驱动单元2、远程I/O模块7及触摸屏6；其中所述伺服驱动单元2还与进给推进轴4的伺服电机3连接。

优选的，所述运动控制单元1采用西门子公司的SINAMICS-SIMOTION D425作为整个设备的控制中枢，本发明中主要利用了其逻辑和运算控制及工艺控制功能，以及电子凸轮（CAM In）和定位控制（Position）等功能，可以实现多轴驱动，具有良好的控制精度。所述运动控制单元1通过Drive-CLiQ通信电缆，分别与所述整流回馈电源单元8、伺服驱动单元2连接，实现实时同步通信及快速数据交换。具体的，由SIMOTION D425的所述运动控制单元1中集成的CU320驱动控制模块，来负责所有伺服驱动单元2的控制及协调，实现对各轴的速度环、电流环、位置环的控制。

所述整流回馈电源单元8将三相交流电整流成直流电，供给各个伺服驱动单元2，并能将制动能量直接反馈到电网，低碳节能。所述伺服驱动单元2将540V的直流电逆变成三相交流电，来驱动所述进给推进轴4的伺服电机3。

所述进给推进轴4的伺服电机3，采用SIEMENS 1FT6系列的永磁同步电机，具有位置速度反馈功能，可以满足在动态性能、调速范围以及速度和位置、精度等方面的最高要求，内置有绝对值编码器。所述伺服电机3也通过Drive-CLiQ通信电缆连接至其伺服驱动单元2。

所述远程I/O模块7是放在现场操作台里的，便于铣床机身的阀等执行元器件的控制及传感器等传感元器件的信号检测。本发明所述远程I/O模块7采用SIEMENS的ET200S系列，其与运动控制单元1采用PROFIBUS-DP方式通讯。

所述运动控制单元1按照切割工艺曲线，控制由进给推进轴4带动的旋转锯片5推进，对钢管进行切割。所述切割工艺曲线，由运动控制单元1里建立的数学模型计算得到，需满足锯片5本身对切割物的进给要求（否则锯片5会崩裂）；还要按照切入钢管的位置，考虑锯齿接触弧长来对进给速度进行变速，保证切割端面平整、无毛刺、不产生火花（冷切割）；并且还要考虑切割周期以满足整个生产线的生产速度。

如图2所示，所述“锯齿接触弧长”是指锯齿接触钢管的累积长度。对于每根钢管来说，由于钢管是空心的，只有当锯齿接触到钢管壁时，其接触长度是最大的；中间的空心部分，接触长度是最小的。而对于不同钢管，根据管径、壁厚不同，工作中的锯齿，其接触弧长也是不一样的。

所述“切割周期”是指进给推进轴从原点推进，带动旋转的锯片将一根钢管切断，直到所述进给推进轴快速返回原点的时间。

通过所述触摸屏6，可以输入运动控制单元计算上述进给速度曲线、锯齿接触弧长（最大接触弧长）、切割周期等所需要的工艺参数，包含钢管的长度、材质、钢管外径、壁厚、锯片类型、锯片直径、锯片厚度、锯片齿数、最大齿负荷等参数。该触摸屏6还支持对推进控制相关配方的保存，从而在下次进行同一规格的钢管切割时调出该配方即可。所述触摸屏6上可以输出显示所有工艺参数及配方，以及整个设备的所有故障信息，并提供相关报警提示及解决办法。

基于上述控制装置，配合参见图2、图3所示，介绍本发明所述铣削进给速度曲线的控制方法。其中，图2示出了对应钢管不同位置的锯齿接触弧长，以及相配合的进给推进速度的示意图；图3是在一个切割周期内对应钢管不同位置的铣削进给速度曲线，纵轴为进给速度（单位：转/分），横轴为时间（单位：秒）。所述控制方法具体包含以下步骤。

步骤1、当需要铣削的钢管的运动速度，与铣床上带高速旋转锯片的运动小车的运动速度同步时，进给推进轴从原点开始，以第一速度快速推进，如图3中A段所示。此时，锯片离钢管比较远，进给推进轴快速推进可以节省时间。

步骤2、当推进的锯片快接近钢管壁时，进给推进轴的速度快速降至工艺要求的第二速度，锯片慢速从钢管管壁切入，不至于产生火花和毛刺，如图3中B段所示。

步骤3、当锯片已经切穿钢管壁后，进入到钢管空心段，此时由于该段锯齿的接触弧长变短（图2所示），为了保证切割周期，可以加快推进速度；具体，由运动控制单元里经过二次开发的相关数学模型，为该段计算得出一个符合切割工艺要求的第三速度，进给推进轴将按照这个速度继续推进，如图3中C段所示。

步骤4、当锯片切完钢管的空心段，并切入到管子的另一侧管壁时，控制进给推进轴的速度降至第四速度，如图3中D段所示。锯片按照这个速度，把钢管完全切断。由图3所示，铣削钢管两侧管壁时的第二速度与第四速度相同，且均小于切割空心段时的第三速度。

步骤5、锯切完成后，进给推进轴快速降速并反转，高速返回至原点，并等待下一个切割周期的到来，如图3中E段所示。

综上所述，本发明所述控制装置中，由运动控制单元计算得到符合锯齿接触弧长、切割周期等进给要求的铣削进给速度曲线，并以此控制由进给推进轴带动的旋转锯片推进，对钢管进行切割。本发明所述控制方法中，对锯片的进给速度进行变速控制，以较慢的推进速度进行钢管壁两侧的切割，保证切割端面平整、无毛刺、且不产生火花；而在锯齿接触弧长较小的钢管空心段切割时、锯片接近钢管之前，以及进给推进轴反转返回原点时，均以较高的推进速度进行，因而切割周期短，生产速度快、效率高，使整个生产线的速度最高可达120M/min。所述控制装置优选使用了西门子公司的工控产品，设备运行稳定、可靠性高；通过触摸屏输入相关工艺参数，即可设定规格要求范围内的任何钢管规格，进行推进速度的计算并保存配方，适应性强；所有故障信息，还可通过触摸屏查询，方便设备维护。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种铣削进给速度曲线的控制装置，其特征在于，包含：

运动控制单元（1），其根据相关工艺参数，计算得出铣削钢管时满足锯齿接触弧长、切割周期的进给速度曲线；

伺服驱动单元（2），在与其连接的所述运动控制单元（1）控制下，将直流电逆变成三相交流电，来驱动进给推进轴（4）的伺服电机（3）；

根据所述进给速度曲线的控制，所述进给推进轴（4）带动旋转的锯片（5）变速推进，对钢管进行切割。

2.如权利要求1所述铣削进给速度曲线的控制装置，其特征在于，还包含与运动控制单元（1）连接的触摸屏（6）；

经由所述触摸屏（6）输入的工艺参数，包含钢管的长度、材质、钢管外径、壁厚、锯片类型、锯片直径、锯片厚度、锯片齿数、最大齿负荷；

该些工艺参数被发送至所述运动控制单元（1），来进行所述锯齿接触弧长、切割周期及进给速度曲线的计算，并形成对同一规格的钢管切割都适用的锯片推进控制的配方；

所述触摸屏（6）支持对所述配方的保存和再调用；还能够输出显示相关工艺参数及配方、故障信息的报警提示及解决办法。

3.如权利要求1所述铣削进给速度曲线的控制装置，其特征在于，还包含与运动控制单元（1）连接的整流回馈电源单元（8），其将三相交流电整流成直流电，为连接在运动控制单元（1）上的若干伺服驱动单元（2）供电，并能将制动能量直接反馈到电网。

4.如权利要求1所述铣削进给速度曲线的控制装置，其特征在于，还包含与运动控制单元（1）连接的远程I/O模块（7）；所述运动控制单元（1）通过该远程I/O模块（7），对执行元器件进行控制，并对传感元器件进行信号检测。

5.一种铣削进给速度曲线的控制方法，其特征在于，计算满足锯齿接触弧长、切割周期的进给速度曲线，并由此控制进给推进轴（4）带动旋转锯片（5）变速推进，对钢管进行切割；

所述控制方法中，对应每一个切割周期，包含以下步骤：

步骤1、当需要铣削的钢管的运动速度，与铣床上带旋转锯片（5）的运动小车的运动速度同步时，控制进给推进轴（4）从原点开始，带动锯片（5）朝钢管方向以第一速度（A）快速推进；

步骤2、当推进的锯片（5）接近钢管壁时，使进给推进轴（4）的速度降至第二速度（B）；锯片（5）以该第二速度（B）慢速切入钢管壁；

步骤3、当锯片（5）切穿钢管壁并切入到钢管空心段时，使进给推进轴（4）的速度提升至第三速度（C），锯片（5）以该第三速度（C）快速切割钢管空心段；

步骤4、当锯片（5）切完钢管的空心段，并切入到钢管的另一侧管壁时，使进给推进轴（4）的速度降至第四速度（D），锯片（5）以该第四速度（D）慢速切入管壁直至将钢管切断；

步骤5、锯切完成后，控制进给推进轴（4）反转并快速返回至原点，等待下一个切割周期的到来。

6.如权利要求5所述铣削进给速度曲线的控制方法，其特征在于，铣削钢管两侧管壁的第二速度（B）与第四速度（D）相同，且均小于切割钢管空心段时的第三速度（C）。

7.如权利要求5所述铣削进给速度曲线的控制方法，其特征在于，所述锯齿接触弧长是指锯齿接触钢管的累积长度；对于每根空心的钢管来说，当锯齿接触到钢管壁时，其接触长度是最大的；而在钢管空心段，其接触长度是最小的；对于不同钢管，根据管径、壁厚不同，所述锯齿接触弧长是不同的。

8.如权利要求5所述铣削进给速度曲线的控制方法，其特征在于，所述切割周期是指所述进给推进轴从原点推进，带动旋转的锯片将一根钢管切断，直到所述进给推进轴快速返回原点的时间。

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